Biokaasutuotannon perusteet

BIOKAASU-TIETOISKU 25.4.2008 klo 13-15, Martin Kievari, Äänekoski Ohjelma: Biokaasutuotannon perusteet Projektipäällikkö Annimari Lehtomäki, Jyväskylä Innovation Oy Biokaasutuotantoon perustuva energiayrittäjyys Biokaasufarmari, toimitusjohtaja Erkki Kalmari, Metener Oy Biokaasuteknologian mahdollisuudet Pohjoisessa Keski-Suomessa Projektipäällikkö Jaakko Tukia, Jyväskylän ammattikorkeakoulu Kysymyksiä ja keskustelua Tilaisuuden järjestää Biokaasusta energiaa Keski-Suomeen hanke 1 Biokaasutuotannon perusteet Annimari Lehtomäki Jyväskylä Innovation Oy 2 1

Biokaasu Muodostuu mikrobien hajottaessa eloperäistä ainesta hapettomissa olosuhteissa 50-75 % metaania 25-50 % hiilidioksidia muut (rikkivety, ammoniakki, vety, häkä ) Lämpöä, sähköä ja liikennepolttoainetta Biokaasun liikennekäyttö edellyttää kaasun puhdistamista ja kompressointia (biometaani) 3 Biokaasu monipuolisista raakaaineista monipuolista energiaa SUBSTRATES ORGANIC WASTE - Municipal, industrial & agricultural biowaste SEWAGE SLUDGE, WASTEWATERS BIOGAS ENERGY VEHICLE FUEL HEAT ELECTRICITY ANIMAL MANURE CROPS - Crop residues - Energy crops BIOGAS PLANT Nutrient recirculation DIGESTATE - Solubilised nutrients - Residual carbon - Improved hygienic quality - Less odour 4 2

5 Maakaasu, biokaasu ja biometaani Maakaasu Suomeen Siperiasta 98 % metaania Fossiilinen polttoaine Biometaani Erotetaan biokaasusta Noin 95 % metaania Uusiutuvaa energiaa Kemiallisesti sama polttoaine Samat ajoneuvot soveltuvat molemmille Voidaan käyttää samoja siirto-, varastointi- ja tankkausratkaisuja 1 m 3 maakaasua tai biometaania vastaa n. 1 l kevyttä polttoöljyä 6 3

Biokaasupotentiaali Suomessa Jätteiden vuotuinen biokaasupotentiaali 14 TWh Vastaa n. 700 000 henkilöauton vuotuista polttoaineen kulutusta Energiakasvien biokaasupotentiaali 20-30 MWh / ha Esim. kesantomailta (n. 10 % Suomen peltopinta-alasta) n. 4-6 TWh Vastaa n. 300 000 henkilöauton vuotuista polttoaineen kulutusta 7 Biokaasun tuotanto Suomessa vuonna 2006 15 biokaasureaktoria yhdyskuntien jätevedenpuhdistamoilla 4 keskitettyä biokaasulaitosta 6 maatilakohtaista biokaasulaitosta 3 teollisuuden jätevesiä käsittelevää biokaasulaitosta Yhteensä 28 milj. m 3 biokaasua energiasisältö n. 165 GWh Tästä hyödynnettiin energiana 80 % Kaatopaikkakaasun keräys 33 kaatopaikalla 102 milj. m 3 energiasisältö n. 500 GWh Tästä hyödynnettiin energiana noin puolet Useita biokaasulaitoksia rakenteilla ja YVA-vaiheessa 8 4

Biokaasun tuotanto Keski-Suomessa 2006 Jyväskylän Seudun Puhdistamo Oy:llä jätevesilietteestä 6 GWh Laajennuksia tulossa, biokaasun jalostamista liikennekäyttöön selvitellään Kalmarin tilalla Laukaassa eläinten lannasta, elintarviketeollisuuden biojätteistä sekä energiakasveista 340 MWh Tästä 19 MWh hyödynnettiin liikennepolttoaineena Mustankorkea Oy:n jätteenkäsittelylaitoksella syntyvä kaatopaikkakaasu käytetään kaukolämmön tuotannossa, 13 GWh Laukaaseen rakenteilla Suomen ensimmäisen täyden mittakaavan kasvibiomassaa käsittelevä biokaasureaktori 9 Biokaasun liikennekäyttö Keski- Suomessa Biokaasun liikennekäyttö on käynnistynyt Suomessa ensimmäisenä Kalmarin tilalla Seitsemän biokaasukäyttöistä yksityisautoa ja yksi taksi Jyväskylän seudulle on suunnitteilla Suomen ensimmäinen julkinen biokaasun tankkausasema Kaatopaikkakaasun liikennekäytön demonstrointihanke käynnistymässä Mustankorkealla Metener Oy patentoinut tiettävästi maailman ensimmäisen maatilakokoluokkaan soveltuvan biokaasun puhdistus- ja paineistuslaitteiston 10 5

Biokaasutuotannon kannustimet muutoksessa Investointuet: MMM avaa lähiviikkoina aiehaun yksittäisen maatilan kokoluokkaa suurempien biokaasulaitosten investointituista, 5 M määräraha Investointituki enintään 40 % Uutta tutkimustietoa ja teknologiaa soveltavissa pilottihankkeissa enintään 60 % Maatilakohtaisten biokaasulaitoshankkeiden investointituen haku avataan loppuvuodesta Jos valtaosa laitoksen tuottamasta energiasta käytetään tilalla -> maatalouden investointitukien kautta Jos valtaosa laitoksen tuottamasta energiasta myydään tilan ulkopuolelle -> yritystukien kautta 11 Biokaasutuotannon kannustimet muutoksessa Biokaasusta tuotetulle sähkölle valmisteilla syöttötariffi KTM:n työryhmän selvitys joulukuussa 2007: Työryhmän esitys tariffin tasoksi keskimäärin 18 sent/kwh Tariffiin porrastuksia laitoksen kokoluokan perusteella Tariffin jakaminen laitostyypeittäin kolmeen ryhmään Lisäbonuksia esim. uuden teknologian käytön, lantojen raakaainekäytön tai lämmön hyödyntämisen perusteella Yksittäisen syöttötariffin kesto 10-15 v Tariffin taso laitoksen käyttöönottovuoden mukaan aleneva Tariffijärjestelmä voimassa vuoteen 2020 asti 12 6

Biokaasutuotannon raaka-aineet Tilalla syntyvät materiaalit: Eläintuotannon jätteet Lannankäsittelyn kasvihuonekaasupäästöjen ja hajuhaittojen vähentäminen Peltobiomassat Energiakasvit Kasvintuotannon sivutuotteet ja jätteet Tilan ulkopuolelta tuotavat materiaalit: Elintarviketeollisuuden jätteet Yhdyskuntien biojäte Sakokaivo- ja puhdistamolietteet Jätteen vastaanotosta maksettavat ns. porttimaksut 13 Miksi kasveista juuri biokaasua? Tuotannon hyötysuhde hyvä Vähäiset päästöt Jäännöksen käyttö lannoitteena ja maanparannusaineena kasvien viljelyalueilla Suljettu ravinnekierto Monipuolisen viljelyrakenteen säilyttäminen Sadonkorjuu varhaisessa kasvun vaiheessa Suuri kuiva-ainesato Ei materiaalin kuivaustarvetta 14 7

Energiataseet Biodiesel Bioetanoli Biokaasu Kasvi Rypsi Sokerijuurikas Säilörehu Sato 3 t ka /ha 12 t ka /ha 10 t ka /ha Tuotannon kuluttama energia 22 GJ/ha 55 GJ/ha 24 GJ/ha Tuotetun polttoaineen energiasisältö 40 GJ/ha 117 GJ/ha 107 GJ/ha Energia output / input 1.8 2.1 4.0 Salter et al. 2005 15 Biokaasun tuotantoon soveltuva kasvimateriaali Suuri sato, korjuukerrat / kesä Helppo viljellä ja korjata Vaatimaton ja kestävä Helppo säilöä Korkea metaanintuotto: Helposti hajoavia hiilihydraatteja Ligniinipitoisuus Suomen olosuhteissa menestyviä ja nopeakasvuisia Runsaasti biomassaa mahdollisimman vähäisellä viljelypanostuksella 16 8

Uusia energiakasveja Rehu- ja energiamaissin viljelystä hyviä kokemuksia Rehumaissi Keski-Suomessa 8-11 t TS/ha 2800-4400 m3 CH4 / ha 28-44 MWh / ha Energiamaissi (biokaasun tuotantoon Saksassa jalostettu lajike) Etelä- Suomessa 10-18 t TS/ha 3500-8700 m3 CH4 / ha 35-86 MWh / ha 17 Kasvien metaanintuottoon vaikuttavat Korjuuajankohta Esikäsittely Riittävä partikkelikoon pienennys Muut käsittelyt: emäskäsittely (lipeä, NaOH) paransi heinän metaanintuottoa 10-15 % Varastointi Energiasisällön ja ravinteiden mahdollisimman tehokas säilyminen varastoinnin aikana Ei kuivausta Säilörehuntekoon perustuvat menetelmät Lannoitus, kasvuolosuhteet Jalostus 18 9

Biokaasuprosessin vaiheet Materiaalien vastaanotto ja varastointi Mahdolliset esikäsittelyt (murskaus, hygienisointi) Varsinainen reaktorikäsittely Jälkikäsittely Jälkikaasuuntumisvarasto (10-15 % kokonaiskaasuntuotosta) Neste-kiinteä -erottelu (fosfori kiinteään ja typpi nestejakeeseen) Lopputuotteen käyttö Biokaasun käsittely (pesu, kuivaus, puhdistus, paineistus) 19 20 10

Tärkeimmät biokaasuntuotantoon vaikuttavat olosuhdetekijät Kosteuspitoisuus ph Ravinteet Lämpötila Mikrobien optimilämpötilat: 10-20 C (psykrofiilit), 30-40 C (mesofiilit), 50-55 C (termofiilit) Inhibitio Jonkin kemiallisen tai fysikaalisen tekijän aiheuttama haittavaikutus, joka häiritsee biologisen prosessin toimintaa ja voi jopa tappaa sen organismit 21 Yhteiskäsittely Kahden tai useamman materiaalin käsittelyä samassa reaktorissa Etuja: Ravinnekoostumuksen tasapainottuminen Laimentamisefekti Puskurikapasiteetti, ph Lanta on hyvä perusmateriaali yhteiskäsittelyssä, koska Se sisältää suurimman osan mikrobien tarvitsemista ravinteista Sillä on korkea puskurikapasiteetti Estää ph:n vaihtelut Sillä on korkea vesipitoisuus Mahdollistaa korkean metaanintuottopotentiaalin omaavien kuivempien materiaalien käsittelyn täyssekoitteisessa prosessissa Sitä on usein saatavilla suuria määriä ja jatkuvasti 22 11

Prosessityypit Märkäprosessit Kuivaprosessit Panos Panos Jatkuvatoiminen Jatkuvatoiminen 23 Märkäprosessit Perinteinen biokaasuteknologia suunniteltu jätteille, joilla alhainen kuiva-ainepitoisuus (esim. lietelanta) Täyssekoitteiset lietereaktorit (CSTR = completely stirred tank reactor) Max. Kuiva-aine 10-13 % Syöttö pumpattavissa, reaktorin sisältö mekaanisesti sekoitettavissa 24 12

Kuivaprosessit Kuiva-ainepitoisuus 20-40 % Usein panosperiaatteella toimivia Vähemmän energiaa lämmitykseen ja pumppaukseen Korkeampi metaanintuotto reaktoritilavuutta kohti Pienemmät reaktorirakenteet Vähemmän käsiteltyä materiaalia Yksivaiheiset kuivaprosessit Kaikki reaktiot tapahtuvat samassa reaktorissa Optimoidaan hitaimman vaiheen mukaan Kaksivaiheiset kuivaprosessit 25 Kaasuajoneuvot: Puhdas vaihtoehto Kasvihuonekaasupäästöt biokaasulla 80-96 % ja maakaasulla 25 % alhaisemmat verrattuna bensiiniin Huomattavasti vähemmän typen oksideja ja rikkiyhdisteitä verrattuna useimpiin bensiini- ja dieselmoottoreihin Alhaiset hiukkaspäästöt Alhainen melutaso Hajuttomia 26 13

Päästövähenemät siirryttäessä käyttämään henkilöauton polttoaineena biokaasua Bensiinistä biokaasuun Dieselistä biokaasuun Kasvihuonekaasut -96 % -95 % Rikkidioksidi Typen oksidit Pienhiukkaset -98 % -57 % -66 % -99 % -88 % -99 % Nigge 2000 27 Biokaasun laatuvaatimukset liikennekäytössä Alhaiset rikkivety-, ammoniakki- ja kosteuspitoisuudet Ei partikkeleita Tasainen laatu Metaanipitoisuus 88 97 % (Ruotsi 97%, Sveitsi 96%, USA 88%) Kaasuajoneuvojen läpäistävä suorituskyky- ja päästötestit 86 % vähimmäismetaanipitoisuudella Useita kaupallisia ratkaisuja saatavilla kaasun puhdistukseen eri mittakaavoissa 28 14

Kaasuajoneuvot Kaasukäyttöisiä ajoneuvoja on käytössä n. 7,5 miljoonaa eri puolilla maailmaa Useimmiten käytössä kaksoispolttoainejärjestelmä, nk. bi-fuel Metaani ja bensiini Erilliset polttoainetankit ja polttoaineen syöttöjärjestelmät Kaasun varastointi n. 200 bar säiliöihin Kaasulla 250-500 km toimintasäde Lisäksi bensatankilla n. 200 km Saatavilla useimmissa merkeissä ja kaikissa kokoluokissa 29 Kaasun liikennekäyttö Suomessa Julkisia maakaasun tankkausasemia 8 kpl Gasum: 30 asemaa 2010 mennessä Biokaasun liikennekäyttö Laukaassa Kalmarin tilalla vuodesta 2002 Julkisia biokaasun tankkausasemia suunnitteilla useissa kaupungeissa Noin 160 kaasukäyttöistä henkilö- ja pakettiautoa, 100 linja-autoa, 8 raskasta ajoneuvoa Maakaasun myyntihinta noin puolet bensiinin hinnasta 30 15

http://www.fordonsgas.se/ 7.11.2006 31 Maakaasuverkosto (Gasum) Biokaasun nykyinen tuotanto (MK Protech Oy) Biokaasun nykyinen tuotanto n. 10 000 henkilöauton polttoainetarve 32 Kaatopaikoilta kerättävä kaasu n. 37 000 henkilöauton polttoainetarve 16

Biokaasutuotannon etuja Energiantuotannon hyötysuhde hyvä Biokaasu monipuolinen polttoaine Biometaani arvokasta liikennepolttoainetta Joustava energiantuotantomuoto: Käsittelyyn kelpaa lähes kaikki orgaaninen aines, ei kuivaustarvetta Laitoksia eri kokoluokkiin Suljettu prosessi Alhaiset päästöt Ravinteiden säilyminen Lannoite- ja maanparannusaineen tuotanto Kemiallisten lannoitteiden tarpeen pieneneminen Käsiteltävien materiaalien hygienisoituminen, kasveille myrkyllisten yhdisteiden väheneminen Hajuhaittojen pieneneminen Maaperän laadun paraneminen ja maaperän köyhtymisen estyminen 33 Biokaasu Keski-Suomessa: Tavoitteet Keski-Suomen bioenergiaohjelman tavoitteena on sekä edistää biokaasuteknologian käyttöönottoa maakunnassa että kehittää Keski-Suomen biokaasuklusterin kilpailukykyä ja liiketoimintaa. Tavoitteiksi Keski-Suomessa vuoteen 2015 mennessä on asetettu: Biokaasun käyttö sähkön- ja lämmöntuotannossa kasvaa 25 GWh Biokaasun käyttö liikenteessä 25 GWh Teknologian ja osaamisen vienti n. 20 M vuodessa 34 17

Biokaasusta energiaa Keski-Suomeen -hanke Käynnistynyt keväällä 2008 Tavoitteena edistää biokaasulaitoshankkeiden syntymistä Keski- Suomessa Hakija Jyväskylä Innovation Oy, mukana toteutuksessa Jyväskylän yliopisto, Jyväskylän ammattikorkeakoulu, POKE, Protech AD Services Oy, Benet Oy, Ramboll Finland Oy Päärahoittaja Keski-Suomen liitto 35 Biokaasusta energiaa Keski-Suomeen Keski-Suomen alueella syntyvien, biokaasutuotantoon soveltuvien materiaalivirtojen kartoittaminen Arvio biokaasutuotannon energiapotentiaalista Keski-Suomen alueella Biokaasulaitosten laitoskokojen, lukumäärän ja sijaintipaikkojen optimointi materiaalivirtojen ja kaasun käytön logistiikka huomioiden Jyväskylän ja Saarijärven seuduilla selvitetään yksityiskohtaisemmin biokaasulaitoksen edellytyksiä alueiden jätehuoltoratkaisuissa Lisäksi pyritään aktivoimaan muita potentiaalisia biokaasulaitoskohteita sekä tekemään kannattavuuslaskelmia ja toteutussuunnitelmia potentiaalisimmille kohteille eri kokoluokissa Maatila-, maaseutuyhdyskunta- ja kaupunkiyhdyskunta-kokoluokat Tiedotusta, opintomatkoja 36 18

Potentiaalisia biokaasulaitoskohteita haetaan Keski-Suomen maakunnan alueelta Maatila-, maaseutuyhdyskunta- ja kaupunkiyhdyskunta-kokoluokat Edustaville kohteille pyritään teettämään kannattavuuslaskelmia ja toteutussuunnitelmia 37 Kiinnostaako biokaasu? Mikäli biokaasutuotanto, biokaasun käyttö tai jakelu kiinnostaa, ota yhteyttä: Annimari Lehtomäki Jyväskylä Innovation Oy Puh. 040-761 9166, annimari.lehtomaki@jklinnovation.fi Lisätietoa: www.biokaasufoorumi.fi Sivuilta ladattavissa mm. maatalouden biokaasuopas Biokaasusta energiaa maatalouteen Raaka-aineet, teknologiat ja lopputuotteet 38 19